超聲波流量計(jì)測(cè)量原理的選擇
|
條件 |
傳播時(shí)間法 |
多普勒法 | |
|
適用液體 |
水類(江河水，海水農(nóng)業(yè)用水等),油類（純凈燃油，潤滑油，食用油等），化學(xué)試劑，藥液等 |
含雜質(zhì)多的水(下水，污水，農(nóng)業(yè)用水等)，漿類(泥漿，礦漿，紙漿化工料漿等)，油類(非凈燃油，重油，原油等) | |
|
適用懸浮顆粒含量 |
體積含量<1%(包括氣泡)時(shí)不影響測(cè)量準(zhǔn)確度 |
濁度>50－100mg/L | |
|
儀表基本誤差 |
帶測(cè)量管段式 |
±(0.5-1)%R |
±(3-10)%FS 固體粒子含量基本不變時(shí)±(0.5-3)% |
| 濕式大口徑多聲道 | |||
| 濕式*********單聲道 | ±1.5%R-±3%R | ||
| 夾裝式(范圍度20：1) | |||
|
重復(fù)性誤差 |
0.1%-0.3% |
1% | |
|
信號(hào)傳輸電纜長度 |
100-300m,在能保證信號(hào)質(zhì)量的前提下,可以小于100m |
<30m | |
|
價(jià)格 |
較高 |
一般較低 | |
此外，對(duì)于外夾裝式儀表還要考慮管壁材料和厚度、銹蝕狀況、襯里材料和厚度；對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)安裝換能器式儀表要考慮換能器類型；對(duì)于大管徑傳播時(shí)間法儀表要考慮聲道數(shù)，等等。下文將分節(jié)討論。
4.2 適用懸浮顆粒含量的范圍
多普勒法USF要比傳播時(shí)間法適用懸浮顆粒含量上限高得多，而且可以測(cè)量連續(xù)混入氣泡的液體。但是根據(jù)測(cè)量原理，被測(cè)介質(zhì)中須***含有一定數(shù)量的散射體，否則儀表就不能正常工作。
傳播時(shí)間法USF可以測(cè)量懸浮顆粒很少的液體，但不能測(cè)量含有影響超聲波傳播的連續(xù)混入氣泡或體積較大固體物的液體。在這種情況下應(yīng)用，應(yīng)在換能器的上游進(jìn)行消氣、沉淀或過濾。在懸浮顆粒含量過多或因管道條件致使超聲信號(hào)嚴(yán)重衰減而不能測(cè)量時(shí)，有時(shí)可以試降低換能器頻率，予以解決。
4.3 測(cè)量準(zhǔn)確度
（1） 傳播時(shí)間法
傳播時(shí)間法比多普勒法有較高的測(cè)量準(zhǔn)確度，液體基本誤差為±0.5％R至±5％FS，重復(fù)性為0.1％R-0.3％R；氣體基本誤差為±0.5％R到±3％FS，重復(fù)性為0.2％R-0.4％FS，高精度儀表均為多聲道儀表。中*********液體管段式超聲流量傳感器通常都用水做實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)，具有±0.5％R的高精度。管外夾裝換能器或在現(xiàn)場(chǎng)管道固定安裝換能器的儀表，要通過定標(biāo)計(jì)算接入現(xiàn)場(chǎng)管道流通面積和傳播距離長度測(cè)量誤差，夾裝在管道的不確定性，聲耦合變化等因素，要降低些。若安裝調(diào)試粗糙不細(xì)致，測(cè)量準(zhǔn)確度有可能低到5％，甚至更低。測(cè)量準(zhǔn)確度還取決于聲道數(shù)設(shè)置及其布置位置，下文將進(jìn)一步討論。
（2） 多普勒法
典型儀表的基本誤差為±（1％-10％）FS，重復(fù)性為（0.2％-1％）FS。工業(yè)用多普勒法USF的超聲波頻率為0.5-2MHz。多普勒信號(hào)包含著不同散射體移動(dòng)速度的頻譜，檢測(cè)電路提供多普勒頻移若干平均測(cè)量值以求的速度。所測(cè)的散射體速度和流體平均流速之間的關(guān)系，隨著不同狀況而變化，有一定不確定性。
多普勒法USF性能因受以下一些原因所形成的因素影響，整體性能要比傳播時(shí)間法低得多。例如：散粒體的性質(zhì)；非軸向速度分量形成的多普勒頻移增寬；被照射域位置的不確定性；散射體和基相液體間的滑差。因此有些制造廠的技術(shù)數(shù)據(jù)僅列出儀表的重復(fù)性而不列測(cè)量準(zhǔn)確度或基本誤差。
流體運(yùn)行流速不能過低，過低的流速會(huì)使離散體分布不均勻。若測(cè)量管水平安裝，氣體會(huì)浮升在頂部流動(dòng)，顆粒會(huì)沉淀于底部。***低流速通常為0.1-0.6ｍ／ｓ。
4.4 聲道設(shè)置和直管段要求
多普勒法USF通常只有單套發(fā)送和接收換能器；便攜式外夾裝換能器傳播時(shí)間法USF通常也只有單聲道，其他夾裝式則也有用雙聲道者，帶測(cè)量管段式有單聲道和雙聲道以上。
（1） 傳播時(shí)間法
傳播時(shí)間法采用多少聲道的主要依據(jù)是測(cè)量準(zhǔn)確度要求和安裝儀表管段流動(dòng)狀況（取決于上游阻流件組成和直管段條件），以及管徑大小。例如BS7405推薦管徑大于0.5m用3或4聲道，達(dá)于3m則用8聲道
單聲道從單一路徑的線平均流速乘上系數(shù)代表平均流速。單一路徑聲道的換能器設(shè)置通常是通過管道中心，即在橫截面投影圓的直徑上，其系數(shù)即如圖10.2所示。也右聲道設(shè)置在弦的位置上。流動(dòng)速度分布畸變和存在徑向速度分量（如渦流、二次流）則會(huì)改變?cè)撓禂?shù)值，弦位置的影響比直徑位置的影響小。多聲道測(cè)量多路徑線平均流速，更減少流動(dòng)畸變影響，提高測(cè)量精度。
確定聲道數(shù)有的可按儀表樣本規(guī)范選擇（如管段式USF，除單聲道外較多采用雙聲道計(jì)量聲道以上），有的則向儀表制造場(chǎng)聯(lián)系磋商（如現(xiàn)場(chǎng)安裝式USF，特別是大管徑應(yīng)用，通常為3-8聲道）。
為了獲得流體沿管道中心平行對(duì)稱地流動(dòng)，測(cè)量點(diǎn)上下游要有足夠的長度直管段作有效整流。不能滿足時(shí)應(yīng)設(shè)置流動(dòng)調(diào)整器。
傳播時(shí)間法USF直管段長度要求尚未有******標(biāo)準(zhǔn)或******標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，應(yīng)按制造廠提供的規(guī)定。表2例舉幾個(gè)不同來源提出的要求，可作為選型時(shí)的一般依據(jù)。
（2） 多普勒法
| 上游管路阻流件種類 | 單聲道***短長度例一(1) | 單聲道***短長度例二(2) | 雙聲道***短長度(3) | |||
|
上游 |
下游 |
上游 |
下游 |
上游 |
下游 | |
| 同心漸縮管 |
10 |
5 |
15 |
5 |
無要求 |
無要求 |
| 同心漸擴(kuò)管 |
30
|
5 |
－ |
－ |
－ |
－ |
| 1個(gè)90度圓角彎管 |
10 |
5 |
20 |
5 |
10 |
5 |
| T形管 |
50 |
10 |
－ |
－ |
－ |
－ |
| 2個(gè)90度圓角彎管 |
－ |
－ |
25 |
5 |
10 |
5 |
| 2個(gè)90度直角彎管 |
－ |
－ |
40 |
5 |
10 |
5 |
| 全開閘閥 |
－ |
－ |
20 |
5 |
－ |
－ |
| 各類閥(包括控制閥) |
30
|
10 |
50 |
5 |
15 |
5 |
| 泵 |
50
|
無要求 |
－ |
－ |
－ |
－ |
對(duì)多普勒法USF的直管段要求也沒有******標(biāo)準(zhǔn)和******標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。人們對(duì)多普勒法USF直管段要求程度在看法上也迥然不同。一種看法認(rèn)為：從原理上講多普勒法僅測(cè)量“照射域”內(nèi)散射體的流速，其測(cè)量值受流速分布影響比傳播時(shí)間法大。為了盡量減少這種影響，除了采取其他一些方法外，還應(yīng)保證照射測(cè)量域的上下游有足夠長度的直管段，以得到較好的流動(dòng)狀態(tài)。例如日本電氣計(jì)測(cè)工業(yè)會(huì)認(rèn)為多普勒法USF所需直管段長度一般應(yīng)是傳播時(shí)間法的1.5倍。然而另一種看法是：多普勒法USF本身測(cè)量準(zhǔn)確度等性能較低，流速分布影響相對(duì)于總體測(cè)量準(zhǔn)確度不重要，直管段要求反而降低。例如有儀表制造廠提出只要在測(cè)量點(diǎn)上下游保持大于3-5DN的直管段。
4.5 換能器類型的選擇
（1） 傳播時(shí)間法
本類儀表可采用換能器的類型較多，各廠家換能器結(jié)構(gòu)不同，適用的流體條件（溫度、壓力等）、管道條件（材質(zhì)、形狀、管徑、直管長度等）和安裝條件等也不相同。此外還與聲道的設(shè)置方法有關(guān)，而聲道的設(shè)置方法又與測(cè)量精度和重復(fù)性等密切相關(guān)。氣體用USF因固體和氣體界面間超聲波傳播效率非常低，只能用直射式換能器。因此氣體流量測(cè)量一般不采用外夾裝式USF。
（2） 多普勒法
本類儀表用的折射式換能器。目前國內(nèi)產(chǎn)品大部分采用夾裝式，但與傳播時(shí)間法所用的夾裝式換能的發(fā)射頻率等技術(shù)性能不同，不能混用。然而兩者適用管道條件是基本相同的。
4.6 安裝布置方面的考慮
1） 安裝位置和流動(dòng)方向 USF的流量傳感部分（超聲流量傳感器或超聲換能器）一般均可安裝于水平、傾斜或垂直管道。垂直管道***好選擇自下而上流動(dòng)的場(chǎng)所，若為自上而下，則其下游應(yīng)有足夠的背壓，例如有高于測(cè)量點(diǎn)的后續(xù)管道，以防止測(cè)量點(diǎn)出現(xiàn)非滿管流。
2） 單向流還是雙向流 通常為單向流，但也可通過較復(fù)雜電子線路，設(shè)計(jì)成雙向流動(dòng)，此時(shí)流量測(cè)量點(diǎn)兩側(cè)直管段長度均應(yīng)按上游直管段的要求布置。
3） 管道條件 外夾裝式USF管道內(nèi)表面積沉積層會(huì)產(chǎn)生聲波不良傳輸和偏離預(yù)期聲道路徑和長度，應(yīng)予避免；外表面因易于處理較少影響。夾裝式換能器和管道接觸表面要涂上耦合劑。應(yīng)注意粒狀結(jié)構(gòu)材料（例如鑄鐵、混凝土）的管道，很可能聲波被分散，大部分聲波傳送不到流體而降低性能。換能器安裝處管道襯里或銹蝕層與管壁之間不能有縫隙。用V法的反設(shè)處須***避開焊縫和接口（參見圖11）。
4） 上游流動(dòng)擾動(dòng) 與大部分其他流量儀表一樣，USF敏感于流過儀表的流速分布剖面，因此也要求相當(dāng)長度的上游直管段。前文已對(duì)直管段要求作了討論。